专利名称：一种非对称开口式整体张拉索膜结构的施工方法
技术领域：
本发明属于大跨度空间结构领域，涉及一种由三层径向索、环索和覆膜组成的中间开口整体张拉结构的施工方法。
背景技术：
张拉索膜结构是一种依靠膜自身的张力以及拉索共同组成的结构体系，该结构主 要由张拉索和覆盖的膜材料组成，拉索又分为谷索、脊索或吊索以及处于膜边缘的边索，在此类结构中膜材得到充分张拉，能够承受一定荷载。该类结构膜单元可以充当结构水平之间的联系，同时具有很好的承载作用。由于张拉索膜结构造型美观，体型轻盈，材料利用率高，特别适合应用于体育会展场馆、机场等大跨度结构的屋盖。随着计算机技术的进步，张拉膜结构在实际工程中得到了广泛的发展，该结构的索网作为结构主受力体系，通过膜面张拉使结构成形，作为次要受力体系。因为索网的存在，该类结构刚度较一般张拉索膜结构大，因而可以在大跨度结构中得到应用。同时此类结构索与膜的预应力必须按照一定的比例施加。由于张拉索膜结构跨度大，施工复杂，合理的施工方案不仅能使结构成形态满足设计要求，同时能够降低施工过程的难度。不同的施工张拉方法可能对结构成型后的受力状态产生影响，故合理的张拉方案关系到结构的最终受力和安全性能。
发明内容
( I)解决的技术问题
本发明提出一种针对非对称开口型索膜整体张拉结构体系的施工方法。该结构体系通过吊索、脊索和谷索三层径向索与环向索形成中间开口的空间整体张拉索膜结构，通过脊索和谷索之间的张拉膜面借助脊谷索外端的高差形成索膜竖向承载刚度，吊索增强结构整体竖向刚度。本发明的施工方法不用设置脚手架，只需要以外围钢结构为支撑，进行分批次提升同步张拉，即可实现设计的成形态，且施工全过程结构状态可调控，施工安全状态可控制，施工方法简捷高效。(2)技术方案
本发明的施工方法，以实现设计要求的结构成形态为目标，以索膜结构整体张拉为张拉施工的基本原则，以预应力拉索张拉施工全过程计算机仿真模拟分析为施工指导依据，通过施工模拟分析确定拉索的预拉应力6 ^、拉索下料长度、环索的最大变形值Cltl以及拉索的先后张拉顺序，最终实现施工的安全性、合理性、简洁高效性。本发明的一种非对称开口型整体张拉索膜结构体系的施工方法，其特征为其预应力索膜结构施工张拉的基本方法为分步提升整体张拉方法。分步提升整体张拉方法是指按照结构成型后的形状，由牵引装置将拉索分步骤提升到距离索体锚固节点较近的位置，再由张拉装置将拉索同步张拉锚固就位，实现结构最终成形态的张拉施工方法。
上述非对称开口型索膜整体张拉结构体系的施工方法，其预应力索膜结构施工张拉是以预应力拉索张拉施工全过程计算机仿真模拟分析为施工指导依据。分析过程考虑结构体系几何非线性。分析采用大型通用有限元程序，优先采用ANSYS、ABAQUS等软件，采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解。上述非对称开口型索膜整体张拉结构体系的施工方法，依据施工模拟分析结论，其预应力索膜结构施工张拉以张拉吊索，张拉脊索，张拉谷索，张拉覆膜为先后张拉顺序，环索不需要进行张拉，最终形成空间整体张拉索膜结构。上述非对称开口型索膜整体张拉结构体系的施工方法，在任何一张拉步骤张拉完成后，均需检测已张拉完成的拉索拉应力6 s，并以O. 95 6S< I. 05 Stl，为拉索允许施工拉应力判别条件。所有拉索最终张拉完成后，需检测环索的最大变形值ds，并以O. 90d0 ^ ds ^ I. 10 d0为环索允许施工变形判别条件。所有拉索最终张拉完成后，需检测环索的拉应力6 HS，并以O. 90 6 H0 ^ 6 HS ^ I. 10 6Htl为环索允许施工拉应力判别条件，其中，d0为通过全过程施工模拟分析确定的拉索的最大变形值，6 ^为通过全过程施工模拟分析确定的拉索的拉应力，6 H0为通过全过程施工模拟分析确定的环索的拉应力。为方便表述，本发明将与谷索和吊索相连的环索夹节点定义为第一环索夹节点，将与脊索相连的环索夹节点定义为第二环索夹节点。本发明一种非对称开口型索膜整体张拉结构体系的施工方法，其具体步骤如下
I以实现设计要求的结构成形态为目标，以索膜结构整体张拉为张拉施工的基本原
贝1J，通过计算机建立整体结构计算模型，并输入相关结构参数，进行预应力拉索张拉施工全过程计算机仿真模拟分析。求得拉索的预应力、下料长度以及拉索的先后张拉顺序等技术参数用于张拉施工，分析过程考虑结构体系几何非线性。分析采用大型通用有限元程序，优先采用ANSYS、ABAQUS等软件，采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解。 先从下往上安装外围钢结构，并安装环梁-谷索节点、环梁-脊索节点、环向桁架或环梁-吊索节点；；
根据施工模拟分析计算结果得出各索的下料长度，进行环索和各径向索的精确下
料；
玉在地面组装环索，并通过第一索夹节点将环索与吊索内端和谷索内端相连接，通过第二索夹节点将环索与脊索内端相连；
G通过辅助索将各根吊索外端牵引至距离外围钢结构顶部相应的环向桁架或环梁-吊索节点一定距离，该距离取O. 4m至I. 5m，此时环索连同脊索和谷索被提离地面；
由牵引工装改成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行吊索外端同步张拉，并检测已张拉完成的吊索的拉应力6DS，W 0.95 6 D(I< 6 DS < 1.05 6 Μ为吊索允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张拉的吊索采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，吊索外端张拉就位后，与顶部环向桁架或环梁-吊索节点相连；其中，6Μ为通过施工模拟分析确定的吊索的预拉应力；
$通过辅助索牵引脊索外端靠近相应的中层环梁-脊索节点，然后换成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行脊索外端同步张拉，并检测已张拉完成的脊索的拉应力6JS’以O. 95 6 < 6 JS ^ I. 05 6 J0为脊索允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张、拉的脊索采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，脊索外端张拉就位后，至环梁-脊索节点位置，并与环梁-脊索节点相连；其中，6 为通过施工模拟分析确定的脊索的预拉应力；
通过辅助索牵引谷索外端靠近相应的环梁-谷索节点，然后换成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行谷索外端同步张拉，并检测已张拉完成的谷索的拉应力6es，以
O.95 6 G0 ^ 6gs^ I. 05 6 G0为谷索允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张拉的谷索采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，谷索外端张拉就位后，至环梁-谷索节点位置，并与环梁-谷索节点相连；其中，5G0为通过施工模拟分析确定的谷索的预拉应力；
检测环索的最大变形值屯，并以0.90 d0^ds^l. 10 dQ为环索允许施工变形判别条件；检测环索的拉应力6 HS，并以O. 90 6 HQ彡6 HS彡I. 10 6 H0,为环索允许施工拉应力判别条件，其中，6m为通过全过程施工模拟分析确定的环索的拉应力；若不满足要求，则需重新调节吊索、脊索、谷索的拉应力，直至满足环索允许施工变形判别条件及允许施工拉应 力判别条件，同时要求满足吊索、脊索、谷索的允许施工拉应力判别条件；
B根据施工模拟分析计算结果，在相邻脊索、谷索和膜边索之间通过张拉覆膜形成索膜张拉结构。上述施工方法还可改进，将上述步骤(E - 用以下步骤代替
I在地面组装环索，并通过第一环索夹节点与吊索内端相连，同时将第二环索夹节点连接于环索；
S通过辅助索将各根吊索外端牵引至距离外围钢结构顶部相应的环桁架或环梁吊索-节点一定距离，该距离取O. 4m至I. 5m,此时环索被提离地面；
通过第一环索夹节点与谷索内端相连，通过第二环索夹节点与脊索内端相连接。(3)有益效果
本发明采用了分步提升索膜结构整体张拉施工方法，并以预应力拉索张拉施工全过程计算机仿真模拟分析为施工指导依据，可以保证实际张拉施工完成后的结构形态符合设计结构成形态的要求，简捷高效地实现体育场屋盖开口型整体张拉索膜结构非对称马鞍形的建筑造型，施工全过程结构受力状态可调控，施工安全状态可控制，施工方法简捷高效。
图I是整体张拉索膜结构剖面图，
图2是整体张拉索膜结构三维图，
图3是整体张拉索膜结构局部三维图，
图4是整体张拉索膜结构局部剖面图，
图5是与谷索和吊索相连的环索夹节点，
图6是与脊索相连的环索夹节点，
图7是环向桁架或环梁吊索节点，
图8是环梁-脊索节点，图9是环梁-谷索节点，
图10是本发明施工流程图。各附图中1吊索、2脊索、3谷索、4环索、5覆膜、6环向桁架或环梁-吊索节点、7夕卜围钢结构、8环梁-脊索节点、9环梁-谷索节点、10与谷索和吊索相连的环索夹节点即第一环索夹节点、11与脊索相连的环索夹节点即第二环索夹节点、12膜边索。
具体实施例方式实施方式I
以某体育场工程为例，来说明本发明涉及的非对称开口式整体张拉索膜结构的施工方法，其包括以下步骤
I以实现设计要求的结构成形态为目标，以索膜结构整体张拉为张拉施工的基本原贝1J，通过计算机建立整体结构计算模型，并输入相关结构参数，进行预应力拉索张拉施工全过程计算机仿真模拟分析。求得拉索的预应力、下料长度以及拉索的先后张拉顺序等技术参数用于张拉施工，分析过程考虑结构体系几何非线性。分析采用ANSYS软件，采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解。e先从下往上安装外围钢结构7，并安装环梁-谷索节点9、环梁-脊索节点8、环梁-吊索节点6等；
S根据施工模拟分析计算结果得出各索的下料长度，进行环索4和各径向索包括吊索I、脊索2、谷索3的精确下料；
S在地面组装环索4，并通过第一环索夹节点10与吊索I内端和谷索3内端相连接，通过第二环索夹节点11与脊索2内端相连；
I通过辅助索将各根吊索I外端牵引至距离外围钢结构7顶部环桁架或环梁6相应连接节点一定距离，该距离取O. 4m至I. 5m,此时脊索2和谷索3与环索4被提离地面；
由牵引工装改成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行吊索I外端同步张拉，并检测已张拉完成的吊索I的拉应力6 DS，以O. 95 6 Μ < 6 DS < I. 05 6 Μ为吊索I允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张拉的吊索I采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，吊索I外端张拉就位后，与顶部环向桁架或环梁-吊索节点6相连；
Z通过辅助索牵引脊索2外端靠近相应的中层环梁-脊索节点8，然后换成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行脊索2外端同步张拉，并检测已张拉完成的脊索2的拉应力6 :s，以O. 95 6 < 6 JS ^ I. 05 6 J0为脊索2允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张拉的脊索2采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，脊索2外端张拉就位后，至环梁-脊索节点8位置，并与环梁-脊索节点8相连；
(E根据施工模拟分析计算结果，进行谷索3外端同步张拉，并检测已张拉完成的谷索3的拉应力6 es，以O. 95 6 彡6 GS ^ I. 05 6 G0为谷索3允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张拉的谷索3采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，谷索3外端张拉就位后，至环梁-谷索节点9位置，并与环梁-谷索节点9相连；
<￡检测环索4的最大变形值ds，并以O. 90 d0 ^ ds ^ I. 10 d0为环索4允许施工变形判别条件；检测环索4的拉应力6 HS，并以O. 90 6 H0 ^ 6 HS ^ I. 10 6 H(l为环索4允许施工拉应力判别条件。若不满足要求，则需重新调节吊索I、脊索2、谷索3的拉应力，直至满足环索4允许施工变形判别条件及允许施工拉应力判别条件，同时要求满足吊索I、脊索2、谷索3的允许施工拉应力判别条件；
根据施工模拟分析计算结果，在相邻脊索2、谷索3和膜边索12之间通过张拉覆膜5形成索膜张拉结构。实施方式2
以某体育场工程为例来说明本发明涉及的非对称开口式整体张拉索膜结构的另一施 工方法，其包括以下步骤
Il以实现设计要求的结构成形态为目标，以索膜结构整体张拉为张拉施工的基本原贝1J，通过计算机建立整体结构计算模型，并输入相关结构参数，进行预应力拉索张拉施工全过程计算机仿真模拟分析。求得拉索的预应力、下料长度以及拉索的先后张拉顺序等技术参数用于张拉施工，分析过程考虑结构体系几何非线性。分析采用ANSYS软件，采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解。@先从下往上安装外围钢结构7，并安装环梁-谷索节点9、环梁-脊索节点8、环梁-吊索节点6等；
C根据施工模拟分析计算结果，得出各索的下料长度，进行环索4和各径向索包括吊索
I、脊索2、谷索3的精确下料；
5在地面组装环索4，并通过第一环索夹节点10与吊索I内端相连，同时将第二环索夹节点11连接于环索4 ；
二通过辅助索将各根吊索I外端牵引至距离外围钢结构7顶部环桁架或环梁6相应连接节点一定距离，该距离取O. 4m至I. 5m,此时环索4被提离地面；
通过第一环索夹节点10与谷索3内端相连，通过第二环索夹节点与脊索2内端相连
接；
ε由牵引工装改成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行吊索I外端同步张拉，并检测已张拉完成的吊索I的拉应力6 DS，以O. 95 6 Μ < 6 DS < I. 05 6 Μ为吊索I允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张拉的吊索I采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，吊索I外端张拉就位后，与顶部环向桁架或环梁-吊索节点6相连；
二通过辅助索牵引脊索2外端靠近相应的中层环梁-脊索节点8，然后换成张拉工装，根据皿工模拟分析计算结果，进行脊索2外端同步张拉，并检测已张拉完成的脊索2的拉应力6 :s，以O. 95 6 < 6 JS ^ I. 05 6 J0为脊索2允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张拉的脊索2采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，脊索2外端张拉就位后，至环梁-脊索节点8位置，并与环梁-脊索节点8相连；
通过辅助索牵引谷索3外端靠近相应的环梁-谷索节点9，然后换成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行谷索3外端同步张拉，并检测已张拉完成的谷索3的拉应力6 GS,以O. 95 6 e(l彡6 GS ^ I. 05 6 G0为谷索3允许施工拉应力判别条件，若不满足要求，则需对已张拉的谷索3采用放松或拉紧等方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，谷索3外端张拉就位后，至环梁-谷索节点9位置，并与环梁-谷索节点9相连；
G检测环索4的最大变形值ds，并以O. 90 d0 ^ ds ^ I. 10 d0为环索4允许施工变形判别条件；检测环索4的拉应力6 HS，并以O. 90 6 H0 ^ 6 HS ^ I. 10 6 H(l为环索4允许施工拉应力判别条件。若不满足要求，则需重新调节吊索I、脊索2、谷索3的拉应力，直至满足环索4允许施工变形判别条件及允许施工拉应力判别条件，同时要求满足吊索I、脊索2、谷索3的允许施工拉应力判别条件；
G根据施工模拟分析计算结果，在相邻脊索2、谷索3和膜边索12之间通过张拉覆膜5形成整体张拉索膜结构。权利要求
1.一种非对称开口型索膜整体张拉结构体系的施工方法，其特征在于其预应力索膜结构施工张拉的基本方法为分步提升整体张拉方法，该分步提升整体张拉方法为按照结构成型后的形状，由牵引装置将拉索分步骤提升到距离索体锚固节点较近的位置，再由张拉装置将拉索同步张拉锚固就位，实现结构最终成形态。
2.一种如权利要求I所述的施工方法，其特征在于预应力索膜结构施工张拉是以预应力拉索张拉施工全过程计算机仿真模拟分析为施工指导依据，分析过程考虑结构体系几何非线性，分析采用大型通用有限元程序，采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解。
3.—种如权利要求2所述的施工方法，其特征在于依据施工模拟分析结论，其预应力索膜结构施工张拉以张拉吊索(I)，张拉脊索(2 )，张拉谷索(3 )，张拉覆膜(5 )为先后张拉顺序，环索(4)不需要进行张拉，最终形成空间整体张拉索膜结构。
4.一种如权利要求3所述的施工方法，其特征在于在任何一张拉步骤张拉完成后，均需检测已张拉完成的拉索拉应力6S，并以0.95 6 ^< 6S< I. 05 Stl为拉索允许施工拉应力判别条件，6 ^为通过全过程施工模拟分析确定的拉索的拉应力；所有拉索最终张拉完成后，需检测环索(4)的最大变形值ds，并以0. 90 d0 ^ ds ^ I. 10 d0为环索允许施工变形判别条件，d0为通过全过程施工模拟分析确定的拉索的最大变形值；所有拉索最终张拉完成后，需检测环索的拉应力6 HS，并以0. 90 6 HQ彡6 HS彡I. 10 6 H0为环索允许施工拉应力判别条件，Shci为通过全过程施工模拟分析确定的环索(4)的拉应力。
5.一种如权利要求I所述的施工方法，其具体步骤如下 CE以实现设计要求的结构成形态为目标，以索膜结构整体张拉为张拉施工的基本原贝1J，通过计算机建立整体结构计算模型，并输入相关结构参数，进行预应力拉索张拉施工全过程计算机仿真模拟分析；求得拉索的预应力、下料长度以及拉索的先后张拉顺序的技术参数用于张拉施工，分析过程考虑结构体系几何非线性；分析采用大型通用有限元程序，采用Nowton-Raphson非线性迭代方法求解； 二先从下往上安装外围钢结构(7)，并安装环梁-谷索节点(9)、环梁-脊索节点(8)、环向材T架或环梁-吊索节点(6)； S根据施工模拟分析计算结果得出各索的下料长度，进行环索(4)和各径向索的精确下料； $在地面组装环索(4)，将与谷索(3)和吊索(I)相连的环索夹节点(10)定义为第一环索夹节点，将与脊索(2)相连的环索夹节点(11)定义为第二环索夹节点,通过第一环索夹节点(10)将环索(4)与吊索(I)内端和谷索(3)内端相连接，通过第二环索夹节点(11)将环索(4)与脊索(2)内端相连； 1通过辅助索将各根吊索(I)外端牵引至距离外围钢结构(7)顶部相应的环向桁架或环梁-吊索节点(6) —定距离，该距离取0. 4m至I. 5m，此时环索(4)连同脊索(2)和谷索(3)被提离地面； 二由牵引工装改成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行吊索(I)外端同步张拉，并检测已张拉完成的吊索(I)的拉应力6DS，以0.95 6 DQ彡6DS彡I. 05 6 DQ为吊索(I)允许施工拉应力判别条件，6D(I为通过施工模拟分析确定的吊索(I)的预拉应力；若不满足要求，则需对已张拉的吊索(I)采用放松或拉紧的方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，吊索(I)外端张拉就位后，与顶部环向桁架或环梁-吊索节点(6)相连； C通过辅助索牵引脊索(2)外端靠近相应的中层环梁-脊索节点(8)，然后换成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行脊索(2)外端同步张拉，并检测已张拉完成的脊索(2)的拉应力6 JS,以0. 95 6 < 6 JS ^ I. 05 6 J0为脊索(2)允许施工拉应力判别条件，6 J0为通过施工模拟分析确定的脊索的预拉应力；若不满足要求，则需对已张拉的脊索(2)采用放松或拉紧的方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，脊索(2)外端张拉就位后，至环梁-脊索节点(8)位置，并与环梁-脊索节点(8)相连； 二通过辅助索牵引谷索(3)外端靠近相应的环梁-谷索节点(9)，然后换成张拉工装，根据施工模拟分析计算结果，进行谷索(3)外端同步张拉，并检测已张拉完成的谷索(3)的拉应力6 GS,以0. 95 6 < 6 GS ^ I. 05 6 G0为谷索允许施工拉应力判别条件，6 G0为通过施 工模拟分析确定的谷索(3)的预拉应力；若不满足要求，则需对已张拉的谷索(3)采用放松或拉紧的方式进行拉应力调节，直至满足判别条件，谷索(3)外端张拉就位后，至环梁-谷索节点(9)位置，并与环梁-谷索节点(9)相连；检测环索(4)的最大变形值ds，并以0.90 d0 ^ ds ^ I. 10 dQ为环索允许施工变形判别条件，Cltl为通过全过程施工模拟分析确定的拉索(4)的最大变形值；检测环索(4)的拉应力6 HS，并以0.90 6 H0 ^ 6 HS ^ I. 10 6 HQ为环索(4)允许施工拉应力判别条件，6H0为通过全过程施工模拟分析确定的环索(4)的拉应力；若不满足要求，则需重新调节吊索、脊索、谷索的拉应力，直至满足环索(4 )允许施工变形判别条件及允许施工拉应力判别条件，同时要求满足吊索(I)、脊索(2)、谷索(3)的允许施工拉应力判别条件； O根据施工模拟分析计算结果，在相邻脊索(2)、谷索(3)和膜边索(12)之间通过张拉覆膜(5)形成索膜张拉结构。
6.一种如权利要求5所述的施工方法，将其步骤 - S用以下步骤代替 (I在地面组装环索(4)，并通过第一环索夹节点(10)与吊索(I)内端相连，同时将第二环索夹节点(11)连接于环索(4)； S通过辅助索将各根吊索(I)外端牵引至距离外围钢结构(7)顶部相应的环桁架或环梁吊索-节点(6) —定距离，该距离取0. 4m至I. 5m,此时环索(4)被提离地面； |二通过第一环索夹节点(10)与谷索(3)内端相连,通过第二环索夹节点(11)与脊索(2)内端相连接。
全文摘要
一种非对称开口型索膜整体张拉结构的施工方法，具体步骤包括建立模型，得到用于施工的技术参数；从下往上安装外围钢结构和环梁各节点；对索精确下料；在地面组装环索，并将其通过环索夹节点将环索与吊索、谷索、脊索内端相连接；将吊索外端牵引至距离外围钢结构顶部相应的节点一定距离处，环索、脊索和谷索被提离地面；对吊索、脊索、谷索为先后顺序张拉，使其满足相应的判别条件后与相应节点连接，检测环索值，当满足其判别条件且同时吊索、脊索、谷索的满足条件后，脊索、谷索和膜边索之间通过张拉覆膜形成索膜张拉结构。该方法快捷简便，施工过程结构受力合理。
文档编号E04B1/35GK102733481SQ20121020072
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者刘鑫刚, 尤德清, 张国军, 张曼生, 徐瑞龙, 王文胜, 王树, 王泽强, 葛家琪 申请人:中国航空规划建设发展有限公司